Углекислый лазер
Углекислый лазер ( СО2 - лазер ) был одним из первых газовых лазеров, которые были разработаны. Его изобрел Кумар Патель из Bell Labs в 1964 году. [1] и до сих пор является одним из самых полезных типов лазеров. Углекислые лазеры — это самые мощные лазеры непрерывного действия , доступные в настоящее время. Они также весьма эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%.CO 2 -лазер излучает луч инфракрасного света с основными диапазонами длин волн 9,6 и 10,6 микрометров (мкм).
Усиление
[ редактировать ]Активная лазерная среда лазера (среда усиления ) представляет собой газовый разряд с воздушным или водяным охлаждением, в зависимости от прикладываемой мощности. Наполняющий газ внутри герметичной газоразрядной трубки состоит примерно на 10–20% из углекислого газа ( CO
2 ), около 10–20% азота ( N
2 ), несколько процентов водорода ( H
2 ) и/или ксенон (Xe), а остальное составляет гелий (He). [ нужна ссылка ] лазере используется другая смесь В проточном , где CO
2 непрерывно прокачивается через него. Конкретные пропорции варьируются в зависимости от конкретного лазера.
Инверсия населенностей в лазере достигается следующей последовательностью: электронный удар возбуждает квантовые колебательные моды {v1(1)} азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой , он не может терять эту энергию в результате испускания фотонов , поэтому его возбужденные колебательные моды метастабильны и относительно долговечны. Н
2 {v1(1)} и CO
2 {v3(1)} почти идеально резонансен (полный перепад энергии молекул находится в пределах 3 см −1 при учете N
2 ангармонизм, центробежное искажение и вибровращательное взаимодействие, которое с лихвой компенсируется максвелловским скоростным распределением энергии поступательного режима), N
2 столкновительно девозбуждается, передавая энергию своей колебательной моды молекуле CO 2 , вызывая возбуждение диоксида углерода до его квантового состояния {v3(1)} (асимметричное растяжение) колебательной моды. СО
2 затем излучает излучение либо на длине волны 10,6 мкм, либо на длине волны 10,6 мкм. [я] переходя к колебательной моде {v1(1)} (симметричное растяжение), или 9,6 мкм. [я] переходя в моду колебаний {v20(2)} (изгибную). Молекулы углекислого газа затем переходят в основное состояние колебательной моды {v20(0)} из {v1(1)} или {v20(2)} в результате столкновения с холодными атомами гелия, тем самым поддерживая инверсную населенность. Полученные горячие атомы гелия должны быть охлаждены, чтобы сохранить способность производить инверсию заселенности в молекулах углекислого газа. В отпаянных лазерах это происходит при ударе атомов гелия о стенки разрядной трубки лазера. В проточных лазерах непрерывный поток CO 2 и азота возбуждается плазменным разрядом и откачивается из резонатора насосами горячая газовая смесь.
Добавление гелия также играет роль в первоначальном колебательном возбуждении N
2 , за счет околорезонансной реакции диссоциации с метастабильным He(2 3 С 1 ). Замена гелия другими благородными газами, такими как неон или аргон, не приводит к увеличению мощности лазера. [2]
Поскольку энергия возбуждения квантовых состояний молекулярных колебательных и вращательных мод невелика, фотоны, излучаемые в результате перехода между этими квантовыми состояниями, имеют сравнительно меньшую энергию и большую длину волны, чем видимый свет и свет ближнего инфракрасного диапазона. Длина волны CO 2 -лазеров 9–12 мкм полезна, поскольку она попадает в важное окно атмосферного пропускания (до 80% атмосферного пропускания на этой длине волны), а также потому, что многие природные и синтетические материалы имеют сильное характерное поглощение в этом диапазоне. [3]
Длину волны лазера можно настроить, изменяя изотопное соотношение атомов углерода и кислорода, входящих в состав CO.
2 молекулы в разрядной трубке.
Строительство
[ редактировать ]Поскольку CO 2 лазеры работают в инфракрасном диапазоне, для их изготовления необходимы специальные материалы. Обычно зеркала посеребрены , а окна и линзы изготовлены из германия или селенида цинка . Для применений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала, окна и линзы из селенида цинка. Также используются алмазные окна и линзы. Алмазные окна чрезвычайно дороги, но их высокая теплопроводность и твердость делают их полезными в условиях высокой мощности и в загрязненных средах. Оптические элементы из алмаза можно даже подвергать пескоструйной обработке без потери своих оптических свойств. Исторически линзы и окна делались из соли ( хлорида натрия или хлорида калия ). Хотя материал был недорогим, линзы и окна медленно разрушались под воздействием атмосферной влаги.
Самая основная форма CO 2 -лазера состоит из газового разряда (со смесью, близкой к указанной выше) с полным отражателем на одном конце и выходным ответвителем (частично отражающим зеркалом) на выходе. [4]
CO 2 -лазер может быть сконструирован так, чтобы иметь мощность непрерывного излучения (CW) от милливатт (мВт) до сотен киловатт (кВт). [5] Также очень легко активно активировать добротность CO 2 -лазера с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что приводит к пиковой мощности с модуляцией добротности до гигаватт (ГВт). [6]
Поскольку лазерные переходы фактически происходят на колебательно-вращательных полосах линейной трехатомной молекулы, вращательная структура полос P и R может быть выбрана с помощью настроечного элемента в резонаторе лазера . Призмы непрактичны в качестве элементов настройки, поскольку большинство сред , передающих в среднем инфракрасном диапазоне, поглощают или рассеивают часть света, поэтому элементом настройки частоты почти всегда является дифракционная решетка . Вращая дифракционную решетку, можно выбрать ту или иную вращательную линию колебательного перехода. Наилучший отбор частот можно также получить с помощью эталона . На практике вместе с изотопным замещением это означает, что непрерывная гребенка частот, разделенных примерно 1 см −1 (30 ГГц) могут использоваться в диапазоне от 880 до 1090 см. −1 . Такие «перестраиваемые по линии» углекислотные лазеры [7] в основном представляют интерес для исследовательских приложений. На выходную длину волны лазера влияют определенные изотопы, содержащиеся в молекуле углекислого газа, при этом более тяжелые изотопы вызывают более длинноволновое излучение. [3]
Приложения
[ редактировать ]
Промышленное (резка и сварка)
[ редактировать ]Из-за доступной высокой мощности (в сочетании с разумной стоимостью лазера) CO 2 -лазеры часто используются в промышленности для резки и сварки , тогда как лазеры с более низким уровнем мощности используются для гравировки. [8] При селективном лазерном спекании CO 2 -лазеры используются для сплавления частиц пластикового порошка в детали.
Медицинский (хирургия мягких тканей)
[ редактировать ]Углекислотные лазеры стали полезны в хирургических процедурах, потому что вода (которая составляет большую часть биологической ткани ) очень хорошо поглощает эту частоту света. Некоторыми примерами медицинского применения являются лазерная хирургия и шлифовка кожи («лазерная подтяжка лица », которая по существу заключается в испарении кожи для стимулирования образования коллагена). [9] CO 2 -лазеры можно использовать для лечения определенных кожных заболеваний, таких как генитальная папиллярная гирсутия, путем удаления шишек или узелков. CO 2 лазеры можно использовать для удаления поражений голосовых связок, [10] например, кисты голосовых складок . Исследователи в Израиле экспериментируют с использованием CO2 - лазеров для сварки тканей человека в качестве альтернативы традиционным швам . [11]
CO 2 -лазер с длиной волны 10,6 мкм остается лучшим хирургическим лазером для мягких тканей, где резка и гемостаз достигаются фототермическим (излучающим) способом. [12] [13] [14] [15] CO 2 -лазеры можно использовать вместо скальпеля для большинства процедур и даже в тех местах, где скальпель не будет использоваться, в деликатных областях, где механическая травма может повредить операционное поле. CO 2 -лазеры лучше всего подходят для процедур на мягких тканях у людей и животных по сравнению с лазерами с другими длинами волн . Преимущества включают меньшее кровотечение, более короткое время операции, меньший риск заражения и меньший послеоперационный отек. Область применения включает гинекологию , стоматологию , челюстно-лицевую хирургию и многие другие.
CO 2 Стоматологический лазер с длиной волны 9,25–9,6 мкм иногда используется в стоматологии для абляции твердых тканей. Твердые ткани подвергаются абляции при температуре до 5000 °C, создавая яркое тепловое излучение. [16]
Другой
[ редактировать ]Обычный пластик полиметилметакрилат (ПММА) поглощает ИК-излучение в диапазоне длин волн 2,8–25 мкм, поэтому CO 2 стали использовать в последние годы для изготовления из него микрофлюидных устройств -лазеры с шириной канала в несколько сотен микрометров. [17]
Поскольку атмосфера достаточно прозрачна для инфракрасного света, лазеры на углекислом газе также используются для военного определения дальности с использованием методов лидара .
CO 2 лазеры используются в спектроскопии. [18] и процесс Silex для обогащения урана.
В производстве полупроводников CO 2 лазеры используются для генерации крайнего ультрафиолета .
Советский «Полюс» был спроектирован для использования мегаваттного углекислотного лазера в качестве орбитального оружия для уничтожения спутников СОИ .
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Точная длина волны зависит от изотопного состава CO.
2 молекула.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патель, CKN (1964). "Воздействие лазером непрерывного действия на колебательно-вращательные переходы СО 2 " . Физический обзор . 136 (5А): А1187–А1193. Бибкод : 1964PhRv..136.1187P . дои : 10.1103/physrev.136.a1187 .
- ^ Патель, CKN; и др. (1965). -He-лазер непрерывного действия «Мощный CO 2 -N 2 » . Письма по прикладной физике . 7 (11): 290. Бибкод : 1965АпФЛ...7..290П . дои : 10.1063/1.1754264 .
- ^ Перейти обратно: а б [1] Юн Чжан и Тим Киллин, Газовые лазеры: лазеры на CO 2 – переход от разнообразного прошлого к будущему, ориентированному на конкретные приложения , LaserFocusWorld (4 ноября 2016 г.)
- ^ «Выходные соединители» . ophiropt.com . Офир Оптроникс Солюшнс Лтд . Проверено 17 февраля 2014 г.
- ^ «Углеродная завеса поглощает рассеянный лазерный свет» . Медиа-лаборатории Tech Briefs. 30 ноября 2007 года . Проверено 17 февраля 2014 г.
- ^ Усилитель углекислого газа в Брукхейвенской национальной лаборатории .
- ^ Ф. Дж. Дуарте (ред.), Справочник по настраиваемым лазерам (Academic, Нью-Йорк, 1995), Глава 4.
- ^ Андреета, MRB; и др. (2011). «Двумерные коды, записанные на поверхности оксидного стекла с помощью CO 2 -лазера непрерывного действия». Журнал микромеханики и микроинженерии . 21 (2): 025004. Бибкод : 2011JMiMi..21b5004A . дои : 10.1088/0960-1317/21/2/025004 . S2CID 137296053 .
- ^ Бартон, Фриц (2014). «Обновление кожи». В Чарльзе Торне (ред.). Пластическая хирургия Грэбба и Смита (7-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 455. ИСБН 978-1-4511-0955-9 .
Для практических целей существует три метода шлифовки: механическое шлифование (дермабразия), химический ожог (химический пилинг) и фотодинамическая обработка (лазерная абляция или коагуляция).
- ^ Беннингер, Майкл С. (2000). «Микродиссекция или микроточечный CO 2 -лазер при ограниченных доброкачественных поражениях голосовых складок: проспективное рандомизированное исследование». Ларингоскоп . 110 (С92): 1–17. дои : 10.1097/00005537-200002001-00001 . ISSN 1531-4995 . PMID 10678578 . S2CID 46081244 .
- ^ «Израильские исследователи впервые начали использовать лазерное лечение для заживления ран» . Израиль21c . 16 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2009 г. Проверено 8 марта 2009 г.
- ^ Фогель, А.; Венугопалан, В. (2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» . хим. Преподобный . 103 (2): 577–644. дои : 10.1021/cr010379n . ПМИД 12580643 .
- ^ Витрук, Питер (2014). «Спектры эффективности лазерной абляции и коагуляции мягких тканей полости рта» . Имплантационная практика США . 6 (7): 22–27 . Проверено 15 мая 2015 г.
- ^ Фишер, Дж. К. (1993). «Качественное и количественное воздействие света на ткани важных хирургических лазеров». Лазерная хирургия в гинекологии: Клиническое руководство : 58–81.
- ^ Фантарелла, Д.; Котлоу, Л. (2014). 9,3 мкм «Стоматологический лазер на CO 2 » (PDF) . Научное обозрение. Джей Лазер Дент . 1 (22): 10–27.
- ^ «Основы лазерной хирургии» . Американский клуб изучения лазеров . Проверено 4 мая 2018 г.
- ^ Кланк, Хеннинг; Каттер, Йорг П.; Гешке, Оливер (2002). «CO 2 -лазерная микрообработка и обратная обработка для быстрого производства микрофлюидных систем на основе ПММА» . Лаборатория на чипе . 2 (4): 242–246. дои : 10.1039/B206409J . ПМИД 15100818 . Проверено 21 октября 2009 г.
- ^ CP Bewick, AB Duval и BJ Orr , Вращательно-селективная передача колебательной энергии между модами в столкновениях D 2 CO/D 2 CO и D 2 CO/Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).